智能座舱方向盘收纳隐藏系统功能设计

来源 | AUTO内饰行家

摘要：随着汽车智能技术的发展,人们对驾乘体验的智能化需求日益增多,智能座舱和智能底盘是实现这一需求的关键总成｡方向盘迎宾功能是智能座舱体现舒适性和体验性的核心功能,同时,未来高等级智能驾驶汽车实现完全自主驾驶后方向盘还应具有收纳隐藏功能,以进一步拓展良好的驾乘舒适性和体验性｡文章研究一种既有传统方向盘迎宾功能,又有收纳隐藏功能的智能座舱方向盘收纳隐藏系统,通过对方向盘收纳隐藏系统的构成､工作原理､控制逻辑等方面的研究,进行方向盘收纳隐藏系统的功能设计,包括电动调节功能､迎宾功能､方向盘翻转功能､电调管柱长距离收纳功能､可拓展功能等,满足了未来智能线控转向系统中的路感模拟装置需具备收纳隐藏的新技术要求｡

关键词：智能座舱;方向盘;收纳隐藏系统功能;控制逻辑

随着人们对汽车驾乘体验智能化要求的提高,智能座舱技术正在得到快速发展｡智能座舱很多先进功能与方向盘有关,比如越来越多的车型要求方向盘具有脱手检测功能,又比如方向盘迎宾功能正逐步成为标准配置｡同时智能驾驶汽车技术发展推动了线控转向系统在汽车的应用,而带方向盘的电调管柱是实现线控转向路感模拟的关键装置｡因此,为满足客户对自动驾驶､车内灵活空间､智能座舱的需求,方向盘收纳隐藏系统加线控转向构成的系统平台架构必然是发展趋势｡

方向盘收纳隐藏系统符合方向盘进化需注重人性化､与汽车内外部环境相协调,以及应用高科技的发展方向｡本文针对某智能驾驶汽车高舒适性和高体验性要求,进行了与线控转向匹配的方向盘收纳隐藏系统功能设计,分析了方向盘收纳隐藏系统的构成､工作原理､控制逻辑｡

方向盘收纳隐藏系统的构成

如图1所示,方向盘收纳隐藏系统主要由三个关键模块构成:电调管柱､可翻转方向盘和控制单元｡电调管柱可实现转向管柱的四向调节,转向管柱四向调节设计方案已较为成熟,但是为实现方向盘收纳隐藏,电调管柱的收缩调节的距离需设计成长行程;可翻转方向盘用于实现方向盘的折叠收纳;控制器用于方向盘收纳隐藏系统中所有信号的采集､处理及电机驱动控制｡

转向系统涉及汽车的行驶安全性,对方向盘收纳隐藏系统要有功能安全设计的要求｡通过对方向盘收纳隐藏系统进行功能安全危害性分析,确定方向盘翻转位置以及管柱收纳位置的安全功能等级需要达成汽车安全完整性等级B(Automo-tiveSafetyIntegrityLevelB,ASILB)｡方向盘翻转模块布置了翻转电机的霍尔信号以及极限位置传感器;电调管柱模块布置了收纳电机的霍尔信号以及长度行程传感器,通过对信号的校验逻辑可实现安全功能等级ASILB｡

控制单元通过控制器局域网(ControllerAreaNetwork,CAN)网络完成信号的交互,接收信号并根据条件判断是否启动功能,通过控制方向盘翻转电机及电调管柱角度调节电机､长度调节电机实现四向调节功能;控制单元可以是单独的控制器,也可以集成在其他控制器里,如左前域控制器､车身域控制器等,方向盘收纳隐藏系统通讯架构如图2所示｡

方向盘增设了可翻转机构,通过电机驱动进行方向盘翻转;电动调节转向管柱设变为长距离收纳,通过电机驱动实现方向盘系统的收纳隐藏｡

方向盘收纳隐藏系统的工作原理

长行程电动调节转向管柱工作原理

电动调节转向管柱高度调节

电动调节转向管柱高度调节机构如图3所示,控制伸缩电机转动,通过电机传动单元中的蜗轮蜗杆传动副､交错斜齿轮､螺杆螺母传动副将电机的旋转运动转变为直线运动,带动套管1､套管2沿管柱轴线上下运动,实现两级收纳调节功能,调节行程可根据需求设计｡

电动调节转向管柱角度调节

电动调节转向管柱角度调节机构如图4所示,控制角度电机转动,通过电机传动单元中的蜗轮蜗杆传动副､螺杆螺母传动副将电机的旋转运动转变为角度调节软轴的旋转运动,再通过螺杆螺母转变为软轴的直线运动,然后通过摇臂机构实现管柱本体绕基准点的旋转运动以实现管柱角度的调节功能｡

方向盘翻转工作原理

如图5所示,控制翻转电机转动,通过蜗轮

蜗杆传动副､两套交错斜齿轮传动副将电机的旋转运动转变为方向盘轮缘的旋转运动,进而实现方向盘的翻转功能｡

方向盘收纳隐藏系统的功能设计

基本功能

1）电动调节功能:通过物理开关或大屏按键实现对方向盘位置进行角度及高度方向的电动调节,满足客户对方向盘位置的需求｡

2）位置记忆及调出功能:可根据不同驾驶员的坐姿习惯匹配记忆5组位置,每组3~5个位置,方便驾驶员调整方向盘位置｡

3）迎宾功能:上电方向盘从角度最高位置回到相应的驾驶位置,通过脸部识别对应的ID｡4)方便进出功能:断电后,方向盘从驾驶位置抬高到角度最高位置,为驾驶员提供更大的出入空间｡

5）调速功能:基于脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)调制电压,中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU),通过监控电机位置,判断是否开启PWM调制电压,以实现缓升缓降功能｡

6）防夹功能:CPU通过监控调节电流值以及电机位置,判断是否存在调节异常可通过判断每个周期内的电流变化值,当电流变化值超出阀值,判断为调节异常,输出电机保持当前｡

5）自学习功能:整车上电,控制器完成自检后,手动调节方向盘､电调管柱角度及高度至极限位置,通过电机电流值,判断是否为极限位置,根据检测到的电调管柱高度及角度极限位置,计算出中间位置并且记忆高度调节电机､角度调节电机极限位置及中间位置对应的霍尔数,根据检测到的方向盘翻转极限位置,记忆翻转极限位置并记忆极限位置对应的电机霍尔数｡

6）方向盘翻转功能:电控单元接收到方向盘翻转指令后,控制翻转电机旋转,控制翻转电机｡方向盘翻转以后才能开启电调管柱长距离收纳,实现方向盘隐藏｡

7）电调管柱长距离收纳功能:电调管柱长距离收纳是通过控制伸缩电机旋转实现翻转后的方向盘隐藏功能｡

可拓展功能

1）休息模式｡可在大屏按键或语音指令下调出休息模式:方向盘收纳隐藏功能+氛围灯+音响系统联动,座椅后退､靠背放倒､氛围灯打开､音乐响起,为乘客营造温馨､舒缓的休息环境｡

2）会议模式｡可在大屏按键或语音指令下调出会议模式:方向盘收纳隐藏系统+座椅旋转联动,方向盘收纳隐藏完成后主､副驾座椅的360°旋转,为乘客提供更大的交流空间,营造更好的交流环境｡

3）剧场模式｡可在大屏按键或语音指令下调出剧场模式:方向盘收纳隐藏系统+大屏弹出或旋转联动,可提供视频会议､观赏电影或游戏娱乐等｡

4）智驾模式｡可在汽车进入高等级自动驾驶模式后调出智驾模式:方向盘收纳隐藏系统+L3及以上自动驾驶,可为驾驶员提供更宽敞的活动空间､更舒适的休息环境｡

方向盘收纳隐藏系统的控制逻辑

方向盘收纳隐藏系统的控制逻辑如图6所示,分为信号采集､控制指令决策､电机控制三个部分｡

信号采集模块分别采集四向按键､翻转按键､位置CAN指令､位置清除CAN指令､迎宾CAN指令､点火信号､车速､挡位按键等信号｡控制指令决策模块依据采集到的指令和状态信号,按照方向盘收纳隐藏系统电机执行先后逻辑顺序,进行控制指令的决策｡控制指令决策是方向盘收纳隐藏系统控制逻辑的核心,主要包括迎宾控制模块､伸缩控制模块､角度控制模块､防夹控制模块和自学习模块｡迎宾控制模块是在上电通过系统自检后将方向盘控制到预定位置｡

伸缩控制模块是依据四向按键指令,开启伸缩电机驱动功能,并确定伸缩电机目标位置｡角度控制模块是依据CAN位置指令,开启角度电机驱动功能,并确定角度电机目标位置｡防夹控制模块是依据驱动电机的电流,判定电流是否过载,如电流超过保护阈值,则停止运动进行防夹控制｡自学习模块用来确定方向盘收纳隐藏系统各向运动的极限位置,一般通过电机电流值是否达到事先设定的阈值来进行判断｡

电机控制模块是根据控制指令决策模块的决策指令分别控制伸缩电机､角度电机和翻转电机运动,电机的运动控制需进行位置闭环控制､电流限值保护､PWM缓升缓降控制,以实现方向盘收纳隐藏系统的各项功能｡

结论

集成方向盘收纳隐藏系统和线控转向系统的智能驾驶汽车操控平台架构是未来的发展趋势｡本文详细介绍了一种智能座舱方向盘收纳隐藏系统的构成､工作原理､控制逻辑,对智能座舱方向盘收纳隐藏系统的电动调节功能､迎宾功能､方向盘翻转功能､电调管柱长距离收纳功能､可拓展功能进行了详细设计,这些功能符合未来智能线控转向系统中的路感模拟装置需具备收纳隐藏的新技术要求,对未来高等级智能驾驶汽车可收纳隐藏方向盘的设计开发具有指导意义｡

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作者：高家兵,刘慧建,吴罡*,李彩霞,潘伟,钱勇

奇瑞汽车股份有限公司汽车工程技术研发总院,安徽芜湖